读出集成电路以及确定对象的距离或速度的方法与流程

读出集成电路以及确定对象的距离或速度的方法
1.本技术要求于2020年7月14日提交的题为“一种用于fmcw lidar的新型读出架构”的第63/051,542号美国临时申请和于2020年9月3日提交的第17/011,813号美国申请的优先权和权益，所述美国申请的全部内容通过引用包含于此。
技术领域
2.本公开的实施例的一个或多个方面总体涉及lidar系统。


背景技术：

3.lidar是光和雷达的混成词且可表示“光检测和测距”或“激光成像、检测和测距”，并且表示用于通过利用来自一个或多个源的光(例如，激光)照射目标并且通过利用一个或多个传感器测量离开目标的光的反射，来测量目标或对象的距离和/或速度的方法。
4.例如，返回时间的差(例如，光的发射与光的部分的反射的检测之间的时间量)和/或波长的差(例如，发射的激光的波长与检测的反射的激光的波长之间的差)还可用于确定目标的距离(例如，从光源或传感器到目标的距离)，并且还可用于制作反射光的目标的一个或多个部分的数字三维表示。
5.在本背景技术部分中公开的以上信息仅用于增强对公开的背景的理解，因此可包含不形成现有技术的信息。


技术实现要素：

6.在此描述的实施例提供对lidar技术的改进，包括对包含用在调频连续波(fmcw)lidar系统中的读出集成芯片的读出架构的改进。
7.根据本公开的实施例，提供一种fmcw lidar系统的读出集成电路，所述读出集成电路包括：平衡式pin光电二极管，被配置为：接收光信号，以及将光信号转换为电流信号；光学混频器，被配置为：从平衡式pin光电二极管接收电流信号，以及将电流信号转换为高频和低频的混合信号；跨阻放大器，被配置为：从光学混频器接收转换后的电流信号，以及将转换后的电流信号转换为电压信号，电压信号包括在被滤除高频之后的低频正弦波形；比较器，被配置为：从跨阻放大器接收电压信号，以及从电压信号生成脉冲信号；主计数器，被配置为：接收与由比较器生成的脉冲信号对应的主信号，以及在特定时间段期间对主信号的脉冲的数量进行计数以生成主计数器数据；参考计数器，被配置为：接收参考信号，以及在时间段期间对参考信号的脉冲的数量进行计数以生成参考计数器数据；和算术逻辑单元，被配置为：接收主计数器数据和参考计数器数据，以及基于主计数器数据和参考计数器数据来计算与目标的距离对应的深度信息。
8.所述读出集成电路还可包括：主锁相环(pll)，被配置为：从比较器接收脉冲信号，以及乘以脉冲信号的频率以生成主信号；和参考锁相环，被配置为对参考pll信号进行放大以生成具有与参考距离对应的参考频率的参考信号。
9.比较器还可被配置为将主信号与参考信号进行比较。
10.算术逻辑单元可被配置为通过将参考距离与参考计数器数据和主计数器数据的比率相乘来计算深度信息。
11.所述读出集成电路还可包括帧存储器，帧存储器被配置为：接收主计数器数据；从算术逻辑单元接收深度信息；和存储深度信息。
12.算术逻辑单元还可被配置为通过以下操作计算速度信息：从帧存储器接收深度信息，深度信息包括针对第一存储器帧计算的第一深度信息和针对第二存储器帧计算的第二深度信息；计算与第一深度信息和第二深度信息之间的差对应的深度的差；和将深度的差除以与第一存储器帧和第二存储器帧之间的时间对应的时间段。
13.比较器还可被配置为将主计数器数据与参考计数器数据进行比较。
14.根据本公开的另外的实施例，提供一种确定对象的距离或速度的方法，所述方法包括：接收与目标对应的波形信号；从接收的波形信号生成脉冲信号；重置主计数器和参考计数器；在自从主计数器和参考计数器的重置已经过去的第一时间段之后，利用主计数器开始主计数并且利用参考计数器开始参考计数；在第二时间段继续主计数和参考计数；保持主计数器的最末主值和参考计数器的最末参考值；计算最末主值与最末参考值的比率；和将参考距离与所述比率相乘。
15.所述方法还可包括从光学混频器输出接收波形信号。
16.第一时间段可对应于检测范围。
17.第二时间段可对应于柔性编程时间段。
18.所述方法还可包括朝向目标生成光束以使目标散射光束，并且接收散射的光束作为与目标对应的波形信号。
19.所述方法还可包括通过以下操作计算速度信息：接收深度信息，深度信息包括针对第一存储器帧计算的第一深度信息和针对第二存储器帧计算的第二深度信息；计算与第一深度信息和第二深度信息之间的差对应的深度的差；和将深度的差除以与第一存储器帧和第二存储器帧之间的时间对应的时间段。
20.所述方法还可包括通过将参考距离与主计数和参考计数的比率相乘来计算深度信息。
21.根据本公开的另外的实施例，提供一种在fmcw lidar系统的读出集成电路上实施的非暂时性计算机可读介质，所述非暂时性计算机可读介质具有计算机代码，计算机代码在处理器上被执行时实施确定对象的距离或速度的方法，所述方法包括：接收与目标对应的波形信号；从接收的波形信号生成脉冲信号；重置主计数器和参考计数器；在自从重置已经过去的第一时间段之后，利用主计数器开始主计数并且利用参考计数器开始参考计数；在第二时间段继续主计数和参考计数；保持主计数器的最末主值和参考计数器的最末参考值；计算最末主值与最末参考值的比率；和将参考距离与所述比率相乘。
22.计算机代码在处理器上被执行时可进一步实施通过从光学混频器输出接收波形信号来确定对象的距离或速度的方法。
23.第一时间段可对应于检测范围，其中，第二时间段对应于柔性编程时间段。
24.计算机代码在处理器上被执行时可进一步实施通过朝向目标生成光束以使目标散射光束并接收散射的光束作为与目标对应的波形信号来确定对象的距离或速度的方法。
25.计算机代码在处理器上被执行时可进一步实施通过经由以下操作计算速度信息
来确定对象的距离或速度的方法：接收深度信息，深度信息包括针对第一存储器帧计算的第一深度信息和针对第二存储器帧计算的第二深度信息；计算与第一深度信息和第二深度信息之间的差对应的深度的差；和将深度的差除以与第一存储器帧和第二存储器帧之间的时间对应的时间段。
26.计算机代码在处理器上被执行时可进一步实施通过经由将参考距离与主计数和参考计数的比率相乘计算深度信息来确定对象的距离或速度的方法。
27.因此，本公开的一些实施例的系统和方法能够在省略用于执行对计算深度/距离/范围的信号进行处理的变换的电路元件的同时计算目标的范围。
附图说明
28.本实施例的非限制性和非详尽的实施例参照下面的附图被描述，其中，除非另外说明，否则贯穿各个视图，相同的参考标号表示相同的部件。
29.图1示出描绘根据本公开的一些实施例的lidar系统的框图；
30.图2示出描绘调频连续波(fmcw)lidar系统的读出架构的框图；
31.图3示出描绘根据本公开的一些实施例的调频连续波(fmcw)lidar系统的读出架构的框图；
32.图4示出根据本公开的一些实施例的与不同距离处的目标对应的读出架构的模拟roic的各种信号的示例；和
33.图5示出描绘根据本公开的一些实施例的确定目标距lidar系统的距离的方法的流程图。
34.贯穿附图的若干视图，对应的参考字符指示对应的组件。本领域技术人员将理解，附图中的元件为了简单和清楚而被示出，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的元件、层和区域中的一些的尺寸可相对于其他元件、层和区域被夸大，以帮助提高各种实施例的清楚和理解。此外，与实施例的描述不相关的常见但很好理解的元件和部件可能未被示出，以促进对这些各种实施例的视图的较少的妨碍并使描述清楚。
具体实施方式
35.通过参照附图和实施例的详细描述，可更容易地理解发明构思的特征和实现发明构思的方法。在下文中，将参照附图更详细地描述实施例。然而，描述的实施例可以以各种不同的形式被实现，并且不应被解释为仅限于在此示出的实施例。相反，这些实施例作为示例被提供，使得本公开将是彻底和完整的，并且将本发明构思的方面和特征充分地传达给本领域技术人员。因此，对于本领域普通技术人员来说对于完全理解本发明构思的方面和特征而不必要的处理、元件和技术可不被描述。
36.除非另外说明，否则贯穿附图和文字描述，相同的参考标号表示相同的元件，因此，其描述将不被重复。此外，与实施例的描述不相关的部件可不被示出以使描述清楚。在附图中，为了清楚，元件、层和区域的相对尺寸可被夸大。
37.在具体实施方式中，出于解释的目的，许多特定细节被阐述，以提供对各种实施例的彻底理解。然而，清楚的是，可在没有这些特定细节的情况下或在一个或多个等同布置的情况下实践各种实施例。在其他实例中，公知的结构和装置以框图形式示出，以避免不必要
地模糊各种实施例。
38.将理解，尽管在此可使用术语“第一”、“第二”、“第三”等来描述各种元件、组件、区域、层和/或部分，但是这些元件、组件、区域、层和/或部分不应受这些术语限制。这些术语用于将一个元件、组件、区域、层或部分与另一元件、组件、区域、层或部分区分开。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，以下描述的第一元件、第一组件、第一区域、第一层或第一部分可被称为第二元件、第二组件、第二区域、第二层或第二部分。
39.在此使用的术语仅出于描述一些实施例的目的，并且不意在限制本公开。如在此所使用的，除非上下文另外清楚地指示，否则单数形式也意在包括复数形式。还将理解，术语“包含”、“具有”和“包括”在本说明书中使用时，表明存在陈述的特征、整体、步骤、操作、元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。如在此所使用的，术语“和/或”包括相关所列项中的一个或多个的任何和所有组合。
40.如在此所使用的，术语“基本上”、“大约”、“近似”以及类似术语用作近似术语而非程度术语，并且意在考虑本领域普通技术人员将认识到的测量值或计算值的固有偏差。考虑到有问题的测量以及与特定量的测量相关联的误差(即，测量系统的局限性)，如在此所使用的“大约”或“近似”包括阐述的值，并且表示在如由本领域普通技术人员所确定的针对特定值的可接受的偏差范围以内。例如，“大约”可表示在一个或多个标准偏差以内，或在阐述的值的
±
30％、20％、10％、5％以内。此外，在描述本公开的实施例时使用的“可”表示“本公开的一个或多个实施例”。
41.当特定实施例可被不同地实现时，特定的处理顺序可与描述的顺序不同地被执行。例如，两个连续描述的处理可基本上同时执行或者以与描述的顺序相反的顺序执行。
42.根据在此描述的本公开的实施例的电子或电气装置和/或任何其他相关装置或组件可利用任何合适的硬件、固件(例如，专用集成电路)、软件、或软件、固件和硬件的组合来实现。例如，这些装置的各种组件可形成在一个集成电路(ic)芯片上或多个单独的ic芯片上。此外，这些装置的各种组件可在柔性印刷电路膜、载带封装件(tcp)、印刷电路板(pcb)上实现，或者在一个基底上形成。
43.此外，这些装置的各种组件可以是在一个或多个计算装置中的一个或多个处理器上运行的进程或线程，所述一个或多个处理器执行计算机程序指令并与其他系统组件交互以用于执行在此描述的各种功能。计算机程序指令存储在存储器中，存储器可使用标准存储器装置(诸如，以随机存取存储器(ram)为例)在计算装置中实现。计算机程序指令还可存储在其他非暂时性计算机可读介质(诸如，以cd-rom、闪存驱动器等为例)中。此外，本领域技术人员应当认识到，在不脱离本公开的实施例的精神和范围的情况下，各种计算装置的功能可组合或集成到单个计算装置中，或者特定计算装置的功能可横跨一个或多个其他计算装置分布。
44.除非另外定义，否则在此使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明构思所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。还将理解，除非在此明确地如此定义，否则术语(诸如，在通用词典中定义的术语)应当被解释为具有与它们在相关领域和/或本说明书的上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于形式化的含义进行解释。
45.如上所述，lidar系统可用于确定目标相对于lidar系统的深度(例如，目标距lidar系统的距离)和/或速度。本公开的一些实施例通过省略其他可在lidar系统中使用的组件来提供对lidar技术的改进，从而提高lidar系统的速度和准确度，并且潜在地降低与之相关联的制造成本。
46.图1示出描绘根据本公开的一些实施例的lidar系统的框图。
47.参照图1，lidar系统100包括光源110、反射镜115、扫描器120、接收器140和控制器150。lidar系统100可被称为激光测距系统、激光雷达系统、或激光检测和测距系统。
48.在一些实施例中，lidar系统100可被配置为感测、识别或确定到能视域(field of regard)以内的一个或多个目标130的距离。作为示例，lidar系统100可确定到目标130的距离，其中，目标130的全部或部分包含在lidar系统100的能视域(for)以内。包含在lidar系统100的for以内的目标130的全部或部分可表示for重叠、包含或包围目标130的至少一部分。在一些实施例中，目标130可包括相对于lidar系统100移动或静止的对象的全部或部分。
49.光源110可对应于用于产生具有操作波长(例如，电磁光谱中的波长)的输出光束125的激光器。输出光束125可被称为光信号、激光束、光线光束、光学光束、发射的光束、发射的光线或简称为光束。在一些实施例中，lidar系统100是调频连续波(fmcw)lidar系统。因此，输出光束125可以是fmcw激光，但是应当注意，在其他实施例中，输出光束125可以是脉冲的或以其他方式调制的。输出光束125可被朝向距lidar系统100距离d的目标130引导。在被引导到目标130之前，输出光束125可穿过或经过反射镜115(例如，反射镜115可包括输出光束125所穿过的孔、槽或光阑)。
50.在穿过或经过反射镜115之后，输出光束125还可穿过扫描器120。扫描器120可被配置为横跨lidar系统100的感兴趣区域(例如，for)扫描输出光束125。扫描器120可包括一个或多个扫描镜，扫描镜被配置为围绕一个或多个旋转轴以成角度的方式枢转、旋转、摆动或移动。因此，输出光束125可被扫描镜反射，并且当扫描镜枢转或旋转时，反射的输出光束125可以以对应角度的方式被扫描。例如，扫描镜可被配置为周期性地来回枢转，从而使输出光束125来回扫描。
51.在穿过扫描器120之后，一旦输出光束125到达目标130，目标130可散射或以其他方式反射输出光束125的光的至少一部分，并且散射或反射的光中的一些可作为一个或多个输入光束135朝向lidar系统100返回，作为接收的光信号。通常，来自输出光束125的光的相对小的部分作为输入光束135返回到lidar系统100。然后，输入光束135可在穿过扫描器120的同时返回，并且然后可被反射镜115反射以被引导到接收器140。
52.除了反射镜115之外，lidar系统100还可包括一个或多个光学组件(例如，透镜、反射镜或滤光器)，一个或多个光学组件被配置为对由lidar系统100产生的或由lidar系统100接收的光进行反射、聚焦、过滤、成形、修改、转向、引导、准直或组合(例如，被配置为对输出光束125或输入光束135进行引导或聚焦)。作为示例，lidar系统100可包括一个或多个透镜以将输入光束135聚焦到接收器140的光电检测器上。在一些实施例中，反射镜115可将输出光束125和输入光束135提供为基本上同轴，使得两个光束沿近似相同的光路行进(例如，基本上彼此平行并且沿相反的方向行进)。因此，反射镜115和其他对应组件可将输入光束135引导到接收器140。
53.接收器140可被称为光电接收器、光学接收器、光学传感器、检测器、光电检测器或光学检测器。接收器140可包括一个或多个雪崩光电二极管(apd)、单光子雪崩二极管(spad)、pn光电二极管(pd)和/或pin光电二极管(例如，如图3中所示的平衡式pin pd 340)。接收器140可包括执行信号修改和分析的电子电路。接收器140可包括跨阻放大器(tia)(例如，以下针对图2和图3描述的tia 265、365)，tia将响应于接收的光信号而产生的接收的光电流转换成电压信号。电压信号可用于确定输入光束135的一个或多个光学特性，并且可用于产生数字输出信号/电信号145，数字输出信号/电信号145将被发送到控制器150以用于处理或分析(例如，确定与接收的光学脉冲对应的飞行时间值)。
54.因此，在被反射镜115反射之后，接收器140可从输入光束135接收和检测光子。然后，接收器140可产生并输出电流或电压脉冲作为表示输入光束135的电信号145，并且可将电信号145发送到控制器150(例如，可以是以下参照图2和图3描述的roic 250、350的一部分或可包括以下参照图2和图3描述的roic 250、350的控制器)。
55.控制器150可包括处理器、计算系统或其他合适的电路，并且可被配置为分析来自接收器140的电信号145的一个或多个特性，以确定目标130的一个或多个特性(诸如，目标相对于lidar系统100的距离或速度)。这可例如通过分析透射的输出光束125和接收的输入光束135所共有的光的飞行时间来完成。
56.飞行时间t表示发射的光束或光脉冲从lidar系统100行进到目标130，然后从目标130返回行进到lidar系统100的往返飞行时间。飞行时间t可用于计算从目标130到lidar系统100的距离/范围/深度d，其中，距离d可表示为d＝c
×
t/2，其中，c是光速。
57.控制器150还可电气地或通信地结合到光源110、反射镜115和扫描器120。控制器150可接收由于光源110的电触发脉冲或边沿，其中，每个脉冲或边沿对应于由光源110进行的光脉冲的发射。控制器150还可控制光源110以使光源110产生和/或调整输出光束125。如以下进一步描述的，控制器150可基于与输出光束125何时被光源110发射以及输入光束135何时被接收器140检测到相关联的时序信息来确定光脉冲的飞行时间值。因此，控制器150可包括执行信号放大、采样、滤波、信号调理、模数转换、时间数字转换、脉冲检测、阈值检测、上升沿检测或下降沿检测的电路。
58.在一些实施例中，一个或多个lidar系统100可集成到车辆中(例如，作为高级驾驶员辅助系统(adas)的一部分以辅助车辆的驾驶员操作车辆，或者作为自主车辆驾驶系统的一部分)。例如，lidar系统100可以是向驾驶员提供信息或反馈(例如，警告驾驶员潜在的问题或危险)或者自动控制车辆的一个或多个功能(例如，通过控制制动系统或转向系统)以避免碰撞或事故的adas的一部分。lidar系统100可向自主车辆的驾驶系统提供关于周围环境的信息。自主车辆驾驶系统可被配置为通过车辆周围的环境引导自主车辆，并且可包括一个或多个计算系统，一个或多个计算系统从lidar系统100接收关于周围环境的信息，分析接收的信息，并且向车辆的驾驶系统和致动器(例如，方向盘、油门、刹车或转向信号灯)提供控制信号。
59.图2示出描绘调频连续波(fmcw)lidar系统的读出架构的框图。
60.参照图2，fmcw lidar系统(例如，图1的lidar系统100)的读出架构200可包括被实现为lidar系统的接收器(例如，图1的接收器140)的平衡式pin pd 240，并且还可包括被实现为lidar系统的控制器(例如，图1的控制器150)的读出集成电路(roic)250。roic 250可
与存储器(pc)260结合地使用。roic 250可在相关部分中包括tia 265、模数控制器(adc)块270(例如，超高速高分辨率adc块270)、快速傅里叶变换(fft)块280(例如，2维fft块)和锁相环(pll)块290。
61.平衡式pin pd 240可接收与输入光束(例如，图1的输入光束135)对应的光子，然后可将光子转换为电流作为信号245(例如，图1的电信号145)。然后，tia 265可接收信号245，并且可将信号245的电流变换为电压信号(例如，tia信号267)以被发送到adc块270。然后，adc块270将从tia 265接收的tia信号267变换为数据流(例如，数据信号285)，使得由平衡式pin pd 240检测到的每个像素或体素(voxel)(例如，规则间隔的三维网格上的单个样本或数据点)可被转换为一个或多个对应的数据值。此后，fft块280可对从adc块270接收的数据信号285的数据值运行变换(例如，fft)，以计算与反射或散射输入光束135的目标对应的深度信息。最后，来自fft块280的深度信号287中指示的深度值以及来自adc块270的数据信号285的数据值经由从adc块270到存储器260和从fft块280到存储器260的两条相应的线被发送到存储器260，从而使得能够通过使用数据信号285和深度信号287来计算目标(例如，图1的目标130)的深度和速度两者。
62.高级驾驶员辅助系统(adas)和自主驾驶应用可使用高分辨率和高质量的范围/深度/距离信息，以使lidar系统能够“看得”更远(例如，具有更长的目标检测范围)，并且使lidar系统能够更快速和更容易地检测或识别目标，从而降低与采用lidar系统的车辆撞击或避开一个或多个目标相关联的风险。此外，低功率操作lidar系统可用adas或自主驾驶系统来实现。因此，roic 250的规格可考虑接收器带宽(例如，在几百mhz或更多的量级上)、adc分辨率和检测能力、低噪声(例如，信号功率的信噪比(snr)为12db或更高，和/或用作tia的低噪声放大器(lna))、功耗、芯片级的直接傅里叶变换(dft)的性能以及其他射频(rf)处理。
63.然而，3d系统中的目标分析通常消耗相对大量的功率。此外，能够使用直接飞行时间(dtof)方法结合作为接收器的单光子雪崩二极管(spad)来计算目标深度的lidar系统可能由于存在各种环境噪声源而具有困难。因此，图2的读出架构200的实现可存在与adc块270和fft块280相关联的障碍。
64.例如，2d fft块280可需要roic 250上的相对大量的空间，并且可针对数个帧消耗相对大量的功率以实现深度和速度信息的检测，注意，fmcw lidar系统中的读出架构200可通过使用2d fft块280同时确定深度和速度。此外，当确定深度和速度信息时，可存在与fft块280的操作相关联的滞后。
65.作为另一示例，adc块270可以在ghz的量级上操作(例如，可具有一些ghz的采样速度)以实现中到高分辨率，并且读出架构200可试图分离与roic 250的其他块相关联的信号噪声和串扰。这可通过高速、低抖动锁相环(pll)块290和高灵敏度偏置电路292来实现，以支持adc块270的高速操作(例如，pll块290可用作adc块270和fft块280的时钟，并且可在ghz的量级上操作)。结果，由于每个块的高灵敏度水平，读出架构200可能无法有效地与光学pll块(opll)集成。
66.因此，如以下参照图3和图4所描述的，可存在与解决图2的读出架构200的以上问题和限制中的一些的新型读出架构相关联的益处。
67.图3示出描绘根据本公开的一些实施例的调频连续波(fmcw)lidar系统的读出架
构的框图。
68.参照图3，与lidar系统的读出架构(例如，图2的读出架构200)相关联的各种问题可被解决或消除。例如，与图2的读出架构200相关联的环境噪声可通过使用根据本公开的实施例的fmcw lidar系统(例如，lidar系统100)的调制信号(例如，fmcw信号)，通过去除由其他lidar系统和/或其他光源另外引起的干扰来有效地消除。这可通过提供省略图2的读出架构200的高速adc块270和2d fft块280(通常是对噪声相对敏感的块)的低功率读出架构300并且通过用比较器380和一个或多个计数器395替换省略的块来实现。
69.lidar系统的读出架构300可在相关部分中包括作为接收器(例如，图1的接收器140)的平衡式pin pd 340、roic 350和存储器(或帧存储器)(pc)360，roic 350包括tia 365、比较器380、主pll块(pll_i)390i、参考pll块(pll_r)390r、主计数器块(cnt_i)395i、参考计数器块(cnt_r)395r、用于计算深度和/或速度的深度和/或深度/速度块375(例如，深度/速度375)。与图2的roic 250不同，本示例的roic 350省略了过度敏感的块(例如，adc块270和fft块280)，而仍然有效地计算目标的深度和速度。
70.本示例的lidar系统可通过使用改变输出光束125的频率的线性调频信号(chirping signal，或啁啾信号)来输出输出光束(例如，图1的输出光束125)。然后，目标(例如，图1的目标130)可散射或反射输出光束125，从而使输入光束(例如，图1的输入光束135)返回到lidar系统(例如，返回到平衡式pin pd 340)。
71.因此，平衡式pin pd 340可检测作为线性调频信号的输入光束135的光子。然后，平衡式pin pd 340可将光子转换为电流以将信号(例如，作为电信号或数字输出信号的电流)345传送到roic 350，roic 350可单独地或与帧存储器360结合地作为图1的控制器150进行操作。来自平衡式pin pd 340的电信号345可被认为具有与输入光束135的线性调制频率对应的β频率。然后，电信号345可由tia 365直接接收，但是应当注意，在其他实施例中，读出架构300可包括平衡式pin pd 340与tia 365之间的光学混频器。光学混频器可转换来自平衡式pin pd 340的电信号345的频率。例如，光学混频器可将电信号345转换为低频和高频的混合信号。
72.tia 365是电流到电压转换器，并且可与一个或多个运算放大器一起使用。tia 365可用于将与接收的电信号345对应的电流输出放大到可用电压(例如，放大到将由比较器380使用的合适的电压)。因为平衡式pin pd 340可具有比电压响应更线性的电流响应(例如，平衡式pin pd 340的电流响应在宽范围的光输入上可以是大约1％的非线性或更佳)，所以tia 365可被使用。tia 365对平衡式pin pd 340呈现低阻抗，并且可将平衡式pin pd 340与tia 365的输出电压隔离。在一些实施例中，tia 365可以是大值的反馈电阻器。tia 365的增益、带宽、输入偏移电流和输入偏移电压可根据与其结合使用的接收器(例如，图1的接收器140)的类型而变化。
73.因此，tia 365可接收电信号345，并且可将电信号345变换为电压。应当注意，与图2的tia 265不同，因为roic 350能够有效地将噪声从与之相关联的各种信号分离出来，所以本示例的tia 365不需要低噪声放大器。在将电信号345变换为电压和/或对电信号345的电流输出进行放大之后，tia 365可将tia信号367(例如，作为相对小的模拟信号)传送到比较器380。在读出架构300可包括平衡式pin pd 340与tia 365之间的光学混频器的实施例中，tia 365输出的tia信号367可包括在被滤除高频之后的低频正弦波形。
74.比较器380然后可将来自tia 365的tia信号367变换为脉冲信号385。然后，来自比较器380的脉冲信号385作为对信号处理有效的数据被发送。然后，由脉冲信号385指示的数据可被发送到可由偏置电路392支持的主pll块390i。
75.此后，可被实现为算术逻辑单元(alu)的一部分的主pll块390i和/或主计数器块395i可对脉冲信号385的频率进行计数，并且可将计数作为计数信号387a发送到深度/速度块375。例如，主pll块390i可通过乘以脉冲信号385的频率来生成主信号。主计数器块395i可在特定时间段对主信号的脉冲的数量进行计数，以生成主计数器数据(例如，计数信号387a)。参考pll块390r(例如，结合参考计数器块395r)可用于对参考目标频率(例如，与在参考距离处的参考目标相关联的脉冲信号的频率)进行计数，并且可将计数作为参考计数信号387b发送到深度/速度块375。例如，参考pll块390r可对参考pll信号进行放大，以生成具有与参考距离对应的参考频率(例如，参考目标频率)的参考信号。参考计数器块395r可在用于接收参考信号的时间段期间对参考信号的脉冲的数量进行计数，并且生成参考计数器数据(例如，参考计数信号387b)。深度/速度块375能够进行简单的乘法和除法，以使得能够基于计数信号387a计算目标相对于lidar系统的深度和/或速度。深度/速度块375可以是算术逻辑电路，或者可被实现为算术逻辑电路的一部分。
76.因此，主pll块390i结合主计数器块395i和深度/速度块375可用于乘以拍频，以使得能够使用直接飞行时间(dtof)方法来计算目标(例如，图1的目标130)的深度。然而，应当注意，在其他实施例中，主pll块390i可被省略，并且由比较器380输出的脉冲信号385可被发送到主计数器块395i，并且可单独用于产生给定时间帧的计数。
77.例如，通过对脉冲信号385的拍频进行计数，计数频率可被转换为数字信号(例如，通过使用频率到数字(f2d)转换器)以确定与目标相关联的深度/范围/距离信息，其中，输入光束135的输入频率与输出光束125的输出频率之间的较小距离(或者，相位差)对应于较长延迟，从而导致高频和较高计数。因此，通过在时域对脉冲信号385的节拍脉冲进行计数，从lidar系统到目标的距离可被确定。
78.在一些实施例中，读出架构300可适合于高分辨率深度信息。因此，由于目标距lidar系统的距离增加，与脉冲信号385的拍频相关联的计数可更大。因此，根据一些实施例，与参考计数相关联的参考距离处的参考目标可用于计算与目标相关联的深度信息。
79.例如，参考pll块390r(例如，结合参考计数器块395r)可用于对参考目标频率(例如，与参考距离处的参考目标相关联的脉冲信号的频率)进行计数，并且可将计数作为参考计数信号387b发送到深度/速度块375。例如，参考pll块390r可对参考pll信号进行放大以生成具有与参考距离对应的参考频率(例如，参考目标频率)的参考信号。参考计数器块395r可在接收参考信号并生成参考计数器数据(例如，参考计数信号387b)的时间段期间对参考信号的脉冲的数量进行计数。此后，与目标相关联的深度信息可如以下等式1中所示被计算。
80.等式1
81.d＝rd
×
cnt_i/cnt_r
82.其中，d是目标的计算的距离，rd是参考目标的参考距离，cnt_i是由主pll块390i和/或主计数器块395i确定的与目标的距离相关联的计数(例如，计数信号387a)，cnt_r是由参考pll块390r和/或参考计数器块395r确定的与参考目标的参考距离相关联的计数(例
如，参考计数信号387b)。
83.因此，读出架构300的分辨率、准确度和噪声可取决于主pll块390i的速度和计数时间的长度，其中，较长的计数时间使得读出架构能够更准确和更高分辨率。
84.此外，单个帧存储器360可用于计算速度信息。例如，深度/速度块375可在传送到帧存储器360的信号中传送深度信息。然后，帧存储器360可存储深度信息，并且此后可使用与在第一时间到目标的距离对应的深度信息、与在第二时间到目标的距离对应的新的深度信息以及第一时间与第二时间之间的时间差来计算目标的速度，并且可通过信号(例如，信号i2c)将存储的深度信息和/或计算的速度传送到roic(例如，roic 350)。应当注意，主pll块390i、参考pll块390r、主计数器块395i、参考计数器块395r、深度/速度块375和/或帧存储器360可由alu实现，但是本公开不限于此。
85.例如，与目标相关联的速度信息可如以下等式2中所示被计算。
86.等式2
87.v＝avg[(distance_i 1
–
distance_i)/tunit]或当tunit等于1秒时，v＝avg(distance_i 1
–
distance_i)
[0088]
其中，v是速度，distance_i是目标在第一时间的距离，distance_i 1是目标在第二时间的距离，“tunit”取决于与输入光束对应的线性调频信号的线性调频时序。“tunit”是第一时间与第二时间之间的时间差，avg表示平均值。
[0089]
图4示出根据本公开的一些实施例的与不同距离处的目标对应的读出架构的模拟roic的各种信号的示例。
[0090]
参照图4，roic可对应于图3的roic 350。例如，发送tx线性调频信号425可对应于输出光束(例如，图1的输出光束125)的信号。如由计数所指示的，tx线性调频信号425可具有约2微秒的频率，但本公开不限于此。因此，主pll块390i和/或主计数器块395i可产生与150米的第一目标距离对应的第一信号487a1，并且可产生与15米的第二目标距离对应的第二信号487a2，而参考pll块390r和/或参考计数器块395r可产生与参考目标的参考距离对应的参考信号487b。如图4中所示，与第一信号487a1对应的计数值可约为3510，与第二信号487a2对应的计数值可约为130，并且参考信号487b的计数值可约为352。
[0091]
图5示出描绘根据本公开的一些实施例的确定目标距lidar系统的距离的方法的流程图。
[0092]
参照图5，在s501，lidar系统(例如，图1的lidar系统100)可接收与目标(例如，图1的目标130)对应的波形信号。例如，图3中示出的平衡式pin pd 340可接收波形信号。根据一些实施例，lidar系统可通过以下操作来接收波形信号：朝向目标生成光束以使目标散射光束(例如，可通过使用图1的光源110和扫描器120生成输出光束125)、接收散射的光束作为与目标对应的波形信号(例如，可通过使用图1的扫描器120、反射镜115和接收器140接收输入光束135)、和从光学混频器输出(即，光学混频器的输出)接收波形信号。
[0093]
在s502，lidar系统可从接收的波形信号生成脉冲信号(例如，如图3中所示，tia 365和/或比较器380可生成脉冲信号385)。例如，tia 365可将波形信号转换为电压信号，并且比较器380可将电压信号转换为脉冲信号。比较器380可将主信号与参考信号进行比较。可选地，比较器380可将主计数器数据与参考计数器数据进行比较。
[0094]
在s503，lidar系统可重置主计数器和参考计数器(例如，图3的主计数器块395i和
参考计数器块395r可被重置)。
[0095]
在s504，lidar系统可在自从主计数器和参考计数器的重置已经过去的第一时间段之后，利用主计数器开始主计数并且利用参考计数器开始参考计数。第一时间段可对应于检测范围。
[0096]
在s505，lidar系统可在第二时间段继续主计数和参考计数。第二时间段可对应于柔性(例如，预定的或用户定义的)编程时间段。
[0097]
在s506，lidar系统可(例如，通过使用图3的帧存储器360)保持主计数器的最末主值和参考计数器的最末参考值。
[0098]
在s507，lidar系统可(例如，通过使用图3的深度和/或深度/速度块375)计算最末主值与最末参考值的比率。
[0099]
在s508，lidar系统可(例如，通过使用图3的深度和/或深度/速度块375)将参考距离与最末主值和最末参考值的比率相乘。
[0100]
根据一些实施例，在s509，lidar系统可(例如，通过使用图3的深度和/或深度/速度块375和帧存储器360)通过以下操作来计算速度信息：接收深度信息，深度信息包括针对第一存储器帧计算的第一深度信息和针对第二存储器帧计算的第二深度信息；计算与第一深度信息和第二深度信息之间的差对应的深度的差；和将深度的差除以与第一存储器帧和第二存储器帧之间的时间对应的时间段。
[0101]
根据一些实施例，在s510，lidar系统可(例如，通过使用图3的深度和/或深度/速度块375)通过将参考距离与主计数和参考计数的比率相乘来计算深度信息。
[0102]
如上所述的本公开的各种实施例的roic(例如，图3的读出架构300的roic 350)可与opll集成在同一芯片裸片。因此，可减小采用公开的实施例的roic的lidar系统的尺寸。此外，公开的实施例的roic使得读出架构能够实现超低功率、高速操作，并且可在没有不可接受的系统延迟的情况下提取深度信息和速度信息。此外，可通过使用相对简单的一个或多个计数器同时省略使用相对复杂的fft块(例如，图2的roic 250的fft块280)来获得深度信息。公开的实施例的读出架构还能够通过使用相对简单的一个或多个计数器和相对小的帧存储器来计算速度信息，帧存储器能够存储深度信息并且能够确定两帧之间的各自深度的差以确定速度信息两者。
[0103]
因此，本公开的实施例提供了与lidar系统结合使用的读出架构，以改善lidar系统的尺寸、速度和准确度。
[0104]
虽然已经参照本公开的一些示例实施例具体示出和描述了本公开，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离如所附权利要求和它们的等同物中阐述的本公开的精神和范围的情况下，可在其中进行形式和细节上的各种改变。